一種鐵基鎳包碳化硼激光熔覆材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光熔覆金屬陶瓷粉末及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]磨損是一種普遍存在的現(xiàn)象，凡兩個(gè)相互接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面都會(huì)產(chǎn)生磨損。磨損是機(jī)械零件失效的主要形式之一，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3-1/2消耗于摩擦與磨損，對(duì)材料來(lái)說(shuō)，約80%的零件失效是磨損引起的。在冶金、礦山、建材、化工、煤炭等行業(yè)，磨損占生產(chǎn)成本相當(dāng)大的比例，如礦山在碎礦、磨礦過(guò)程中所消耗的磨損材料約占選礦成木的一半。而且，世界各國(guó)每年因腐蝕和磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占其國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的 2% -4%。
[0003]激光熔覆技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，是一項(xiàng)新興的材料表面改性與零件加工技術(shù)。激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，它是利用高能量密度激光束(14?106W/cm2)在金屬表面輻照，通過(guò)迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固(冷卻速度通常達(dá)到12?106°C /s)，在基材表面形成與其冶金結(jié)合的，具有特殊的物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能。
[0004]與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有如下特點(diǎn):(I)冷卻速度快(高達(dá)106°C/S)，組織為典型的快速凝固特征；(2)熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低(一般小于8% )，且與基體呈冶金結(jié)合；(3)粉末選擇沒有太多限制，特別是可以在低熔點(diǎn)金屬表面熔覆高熔點(diǎn)合金；(4)熔覆表面區(qū)域的可精確選擇，材料消耗少，具有較好的性價(jià)比；(5)熔覆過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，激光熔覆技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，并已得到廣泛的應(yīng)用。
[0005]激光熔覆粉末材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末、復(fù)合粉末等。其中，自熔性合金粉末的研宄和應(yīng)用最多。自熔性合金粉末是指加入具有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用的S1、B等元素的合金粉末。主要包括鎳基合金、鐵基合金、鈷基合金等。Co基自熔性合金粉末具有良好的高溫性能和耐蝕耐磨性能，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場(chǎng)合。鎳基合金粉末以其良好的浸潤(rùn)性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑性，其機(jī)械性能優(yōu)良，在激光熔覆技術(shù)中應(yīng)用較廣，它適用于局部要求耐磨、耐熱蝕及抗熱疲勞的零件。鐵基合金的成本是鎳基合金的1/4-1/5，是鈷基合金的1/8-1/9，開發(fā)鐵基合金材料具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另夕卜，目前需要大量進(jìn)行修復(fù)及表面改性處理的工件是鐵基材料，采用鐵基熔覆材料，熔覆層與基體具有良好的潤(rùn)濕性，可以有效解決激光熔覆層剝落問題，同時(shí)降低了對(duì)稀釋率的嚴(yán)格要求，也有利于激光熔覆工藝參數(shù)具有更大的選擇范圍。鐵基熔覆合金硬度高，耐磨性能優(yōu)越，且因與鋼鐵基體材料成分相近，二者結(jié)合強(qiáng)度較高。因此，鐵基熔覆合金的應(yīng)用研宄更具有實(shí)際意義。
[0006]在滑動(dòng)磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重等苛刻的條件下，單純的鎳基、鉆基、鐵基自熔性合金已不能滿足使用要求，此時(shí)可在上述自熔性合金粉末中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成復(fù)合粉末。復(fù)合粉末又可分為碳化物復(fù)合粉末和自粘結(jié)復(fù)合粉末。
[0007]碳化物復(fù)合粉末是由碳化物硬質(zhì)相與金屬或合金作為粘結(jié)相所組成的粉末體系，這類粉末中的粘結(jié)相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特別是經(jīng)預(yù)合金化的碳化物復(fù)合粉末，能獲得具有硬質(zhì)合金性能的熔覆層。碳化物復(fù)合粉末作為硬質(zhì)耐磨材料，相比于單純的鎳基、鉆基、鐵基自熔性合金粉末，其具有較高的硬度和良好的耐磨性。
[0008]碳化硼(B4C)具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高(僅次于金剛石和立方氮化硼)、熔點(diǎn)高(2723K)、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)還具有很好的力學(xué)穩(wěn)定性和很好的熱膨脹系數(shù)。碳化硼在高溫下與鐵、鎳、鈦等金屬和金屬氧化物反應(yīng)形成金屬硼化物，同時(shí)硼也是碳化物形成元素；硼、碳還是強(qiáng)有效的固溶強(qiáng)化元素，用碳化硼來(lái)增強(qiáng)鐵基合金涂層勢(shì)必會(huì)對(duì)復(fù)合涂層的組織與性能有顯著影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)上述不足，通過(guò)混合鐵基合金與鎳包碳化硼粉末，優(yōu)化工藝，進(jìn)一步提高了熔覆層與基體的結(jié)合度，合金粉末激光熔覆涂層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性，大量減少了熔覆層的裂紋、氣孔等缺陷。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種鐵基鎳包碳化硼激光熔覆材料的制備方法。其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟一:選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
[0012]步驟二:分別將質(zhì)量百分比10%、20%、30%、40%的鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，將混合粉末預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm;
[0013]步驟三:使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣。
[0014]步驟二中的鐵基合金與镲包碳化硼粉末的粒度均為50?100 μπι。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]1、激光熔覆用合金粉末既有較高的硬度、又有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性；
[0017]2、使用的鎳包碳化硼粉末能獲得具有硬質(zhì)合金性能的熔覆層，碳化硼具有密度低、硬度高、熔點(diǎn)高、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且硼、碳是強(qiáng)有效的固溶強(qiáng)化元素，用碳化硼來(lái)增強(qiáng)鐵基合金涂層勢(shì)對(duì)復(fù)合涂層的組織與性能有顯著提高；
[0018]3、激光熔覆涂層與基體結(jié)合緊密，熔覆層組織均勻，硬度極高，當(dāng)混合粉末中鎳包碳化硼粉末質(zhì)量百分比分別為10%、20%、30%、40%時(shí)，其熔覆層平均硬度分別為:592.1HV,789.2HV、968.2HVU035.8HV，最大硬度為:746.5HV、1060HV、1139HV、1261HV。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)例一的SEM金相圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)例二的SEM金相圖；
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)例三的SEM金相圖；
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)例四的SEM金相圖；
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)例五的能譜(EDS)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]實(shí)例一:
[0026](I)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
[0027](2)將質(zhì)量百分比10%鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm ;
[0028](3)使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣；
[0029](4)經(jīng)顯微硬度測(cè)試，所得熔覆層平均硬度592.1HV，在熔覆層頂端獲得最大硬度，值為746.5HV ;SEM金相圖片如圖1所示。
[0030]實(shí)例二:
[0031](I)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
[0032](2)將質(zhì)量百分比20%鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm ;
[0033](3)使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣；
[0034](4)經(jīng)顯微硬度測(cè)試，所得熔覆層平均硬度789.2HV，在熔覆層頂端獲得最大硬度，值為1060HV ；SEM金相圖片如圖2所示。
[0035]實(shí)例三:
[0036](I)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
[0037](2)將質(zhì)量百分比30%鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm ;
[0038](3)使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣；
[0039](4)經(jīng)顯微硬度測(cè)試，所得熔覆層平均硬度968.2HV，在熔覆層頂端獲得最大硬度，值為1139HV ；SEM金相圖片如圖3所示。
[0040]實(shí)例四:
[0041](I)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
[0042](2)將質(zhì)量百分比40%鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm ;
[0043](3)使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣；
[0044](4)經(jīng)顯微硬度測(cè)試，所得熔覆層平均硬度1035.8HV，在熔覆層頂端獲得最大硬度，值為1261HV ；SEM金相圖片如圖4所示。
[0045]實(shí)例一中所得的熔覆層硬度最低，熔覆層組織結(jié)構(gòu)較差，實(shí)例二中所得的熔覆層組織結(jié)構(gòu)較好，但其平均硬度略顯偏低。實(shí)例三中所得的熔覆層無(wú)論是組織結(jié)構(gòu)還是硬度都較為出色。實(shí)例四中得到的熔覆層硬度最大，但是可以在熔覆層顯微組織圖中看出，其熔覆層組織結(jié)構(gòu)略差。
[0046]使用EDAX Genesis XM2能譜儀分析熔覆層的成分，得SEM金相圖標(biāo)注區(qū)域熔覆層含有質(zhì)量百分比25.52%硼、8.66.2%碳、0.5%硅、7.34%鉻、50.58%鐵、7.01%鎳。能譜圖如圖5所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鐵基鎳包碳化硼激光熔覆材料的制備方法。其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡； 步驟二:分別將質(zhì)量百分比10%、20%、30%、40%的鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，將混合粉末預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm ； 步驟三:使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4?8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣。2.如權(quán)利要求1所述的一種鐵基合金與鎳包碳化硼混合粉末激光熔覆涂層的制備方法，其特征在于，步驟二中鐵基合金與镲包碳化硼粉末粒度為:50?100 μm。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種鐵基合金與鎳包碳化硼混合粉末激光熔覆涂層的制備方法。其特征在于，包括以下步驟：步驟一：選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；步驟二：分別將質(zhì)量百分比10％、20％、30％、40％的鎳包碳化硼粉末與鐵基合金粉末放入烘干機(jī)烘干去水分后，再通過(guò)機(jī)械混粉器充分混合，將混合粉末預(yù)置在45#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm；步驟三：使用高功率半導(dǎo)體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4～8mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護(hù)氣體為氬氣。
【IPC分類】C23C24/10, B22F1/00
【公開號(hào)】CN104894555
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410652415
【發(fā)明人】雷劍波, 王植, 趙冬梅, 顧振杰, 孟慶鵬, 李紹培, 王云山
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2014年11月14日